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Method Article
* Ces auteurs ont contribué à parts égales
Nous présentons un protocole optimisé pour le traitement de reins humains entiers afin d’isoler et de cultiver des cellules épithéliales primaires du tubule proximal rénal et l’application de ces cellules dans une plateforme microfluidique microphysiologique tridimensionnelle pour récapituler le tubule proximal rénal.
Les maladies rénales touchent plus de 850 millions de personnes dans le monde, dont 37 millions d’Américains. Les facteurs de risque de l’insuffisance rénale chronique comprennent les influences environnementales, les prédispositions génétiques, les conditions médicales coexistantes et des antécédents d’insuffisance rénale aiguë. Ces facteurs prennent souvent des mois ou des années à se développer, ce qui complique les études longitudinales de l’étiologie et de la physiopathologie de la maladie. Des modèles rénaux avancés sont nécessaires pour améliorer notre compréhension des mécanismes de la maladie et améliorer la prédiction de la néphrotoxicité dans le développement de médicaments. Les cellules épithéliales des tubules proximaux (PTEC) dans le rein jouent un rôle essentiel dans l’élimination des xénobiotiques et des toxines ainsi que dans la réabsorption des nutriments essentiels. Nous avons précédemment démontré que des plateformes de systèmes microphysiologiques (MPS) tridimensionnels (3D), peuplées de PTEC primaires isolés, peuvent être utilisées pour étudier les interactions médicamenteuses rénales, évaluer la néphrotoxicité des composés et prédire la clairance des médicaments. Ici, nous présentons des protocoles pour isoler et cultiver des PTEC primaires à partir de reins humains entiers et pour les ensemencer dans une plateforme MPS 3D qui imite la physiologie rénale in vivo . Ce protocole permet des études à long terme soutenant la viabilité des PTEC, la morphologie physiologique et la polarisation fonctionnelle des protéines de transport clés dans les dispositifs MPS pendant une période allant jusqu’à 6 mois.
Le rein joue un rôle essentiel dans l’élimination d’un large éventail de xénobiotiques, de toxines et de composés endogènes du corps. Ceci est réalisé en filtrant le sang pour éliminer les déchets et en régulant l’équilibre électrolytique, les niveaux de liquide et le pH. Chaque rein humain contient environ un million de néphrons, les unités structurelles et fonctionnelles du rein1. Au sein de ces néphrons, des cellules épithéliales spécialisées dans les tubules proximaux, appelées cellules épithéliales des tubules proximaux (PTEC), sont responsables de la réabsorption de molécules essentielles telles que le glucose, les acides aminés et les ions, ainsi que de la sécrétion de substrats médicamenteux et de substances potentiellement toxiques dans l’urine 2,3,4. Dans certains cas, les PTEC peuvent également réabsorber les composés de l’urine dans la circulation sanguine4. En raison de leur rôle essentiel dans les interactions médicamenteuses et toxiques, les PTEC primaires isolés des reins humains constituent un outil précieux pour étudier les interactions médicamenteuses rénales (DDI) et évaluer la néphrotoxicité des composés.
La néphrotoxicité induite par les médicaments pose un défi clinique important, car elle peut entraîner des lésions rénales aiguës et des maladies rénales chroniques5. Par conséquent, une compréhension plus approfondie de la physiologie du tubule proximal rénal est essentielle pour prédire et caractériser avec précision le potentiel néphrotoxique des médicaments et des toxines. Les modèles in vitro traditionnels, y compris les lignées cellulaires rénales immortalisées (par exemple, RPTEC-TERT1, HK-2), ont des limites pour imiter la structure complexe et la fonction des tubules proximaux humains6, qui fonctionnent sous un flux laminaire dynamique (avec un faible nombre de Reynolds) et une matrice extracellulaire uniforme (ECM) in vivo 7,8. De plus, les modèles bidimensionnels traditionnels (2D) ne parviennent souvent pas à exprimer fonctionnellement les principaux transporteurs rénaux (par exemple, les transporteurs d’anions organiques 1 et 3 (OAT1 et OAT3), les transporteurs de cations organiques 2 (OCT2)) en raison de la dégradation et de l’internalisation rapides de ces protéines 6,9,10,11 . Les modèles animaux, bien qu’informatifs, peuvent ne pas reproduire entièrement la physiologie rénale humaine et manquent souvent de traduisibilité en raison des différences d’espèces dans l’expression et l’activité du transporteur12. Par exemple, mOct1 est exprimé basolatéralement dans les PTEC de souris, tandis que chez l’homme, l’expression de la protéine membranaire d’OCT1 dans le rein est indétectable13,14.
Les progrès des systèmes microphysiologiques (MPS) et des technologies d’organes sur puce ont permis aux chercheurs de développer des modèles in vitro qui imitent étroitement l’architecture tridimensionnelle (3D) et les conditions d’écoulement dynamique des fluides des organes humains15. Notre groupe a déjà caractérisé deux modèles MPS avec des PTEC16,17, et a utilisé ces modèles pour mener des études de toxicité 18,19,20 et prédire avec précision l’élimination des médicaments 21. L’utilisation de PTEC primaires dans ces modèles offre des avantages significatifs en raison de leur capacité à conserver les caractéristiques fonctionnelles observées in vivo.
Ici, nous présentons les protocoles pour l’isolement des PTEC humains à partir d’un rein humain intact obtenu d’un donneur décédé via une organisation d’approvisionnement en organes approuvée par le United Network for Organ Sharing (UNOS) et l’application de ces PTEC humains cultivés au sein d’une plateforme MPS.
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Tous les travaux ont été effectués conformément aux directives de l’Université de Washington sur la manipulation des tissus humains. Les donneurs éligibles doivent répondre aux exigences suivantes : moins de 36 h de temps ischémique à froid (TIC), aucun antécédent connu de maladie rénale, de dialyse ou de toute autre condition médicale (par exemple, diabète sucré de type 1 ou 2, hépatite B, hépatite C, virus de l’immunodéficience humaine (VIH), méningite virale/bactérienne, infection à Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline, syphilis, septicémie ou Covid-19). L’ensemble des reins humains utilisés dans cette étude a été prélevé par l’intermédiaire d’un OPO approuvé par l’UNOS.
1. Préparation de l’enceinte de biosécurité
2. Préparation du prétraitement des reins
3. Isolement des PTEC dans l’ensemble du rein
4. Changements de médias
5. Passage des PTEC
6. Cryoconservation des PTEC
7. Décongélation des PTEC
8. Revêtement de l’appareil MPS avec une matrice de collagène de type I
9. Création d’une lumière tubulaire avec du collagène de type IV comme ECM dans un appareil MPS
10. Amorçage de PTEC primaires dans un dispositif MPS
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Morphologie et confluence de PTEC primaires isolés dans le temps en culture 2D
Après isolement du cortex rénal, les PTEC ont été laissés se développer sans être dérangés pendant au moins 48 heures avant le premier changement de milieu. Environ une semaine après la culture des cellules, de petits lots de PTEC doivent apparaître dans tout le flacon de culture avec une morphologie épithéliale uniforme semblable à celle d’un pavé (fi...
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Les MPS, ou technologies d’organe sur puce, offrent une plate-forme in vitro très pertinente pour récapituler les aspects clés de la physiologie humaine, réduisant ainsi la dépendance à l’égard des modèles animaux dans le développement de médicaments et les évaluations toxicologiques. Récemment, le FDA Modernization Act 2.0 (2022) a permis l’inclusion du MPS, entre autres alternatives, dans les demandes de nouveaux médicaments expérimentaux2...
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Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas de conflits d’intérêts ou de divulgations financières pertinents pour cette étude.
Certaines parties de ce travail ont été financées par le contrat 80ARC023CA001 de la NASA, le National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS) (U2CTR004867, UH3TR000504, UG3TR002158), conjointement par le NCATS et le Center for the Advancement of Science in Space (CASIS) (UG3TR002178), le National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) (P30ES00703), le National Institute of General Medical Sciences (T32GM007750), un don sans restriction des Northwest Kidney Centers à la recherche sur le rein et l’École de pharmacie de l’Université de Washington (prix Ji-Ping Wang et bourse Bradley).
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 mL Luer-Lok Tip Syringes | Becton, Dickinson | 309628 | |
1.5 mL microcentrifuge tubes | CELLTREAT Scientific Products | 229442 | |
15 mL sterile conical polypropylene tube | Fisher Scientific | 14-959-53A | |
3D microphysiological Device | Nortis | TCC-001 | |
5 mL Luer-Lok Tip Syringes | Becton, Dickinson | 309646 | |
50 mL sterile conical polypropylene tube | Fisher Scientific | 12-565-271 | |
Antibiotic-Antimycotic (100x) | ThermoFisher Scientific | 15240062 | |
Collagenase, Type IV, powder | ThermoFisher Scientific | 17104019 | |
D-(+)-Glucose | MilliporeSigma | G8270 | |
Defined Trypsin Inhibitor | ThermoFisher Scientific | R007100 | |
Dimethyl sulfoxide, Bioreagent, Thermo Scientific Chemicals | ThermoFisher Scientific | J66650-AK | |
Dispase II, powder | ThermoFisher Scientific | 17105041 | |
Dulbecco’s MEM (DMEM)/F-12 w/o Glucose | US Biological Life Sciences | D9807-02 | |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS), calcium, magnesium | ThermoFisher Scientific | 14040117 | |
Fetal Bovine Serum (FBS), Premium | ThermoFisher Scientific | A5670701 | |
Finnpipette F2 Good Laboratory Pipetting (GLP) Kits | ThermoFisher Scientific | 05-719-511 | Micropipettes |
Fisherbrand SureOne Micropoint Pipette Tips, Universal Fit, Non-Filtered | Fisher Scientific | 02707407, 02707410, 02707438 | |
Fresh whole human kidney | Novabiosis | https://www.novabiosis.com/research-organ-allocation-services/ | Human kidneys were obtained through Novabiosis, a UNOS-approved OPO |
Humidified incubator (37 °C and 5% CO2) | Fisher Scientific | 51033556 | |
Hydrocortisone | MilliporeSigma | H0888 | |
Incubating Orbital Shaker | Avantor | 12620-946 | |
Insulin-Transferrin-Selenium (100X) (ITS -G) | ThermoFisher Scientific | 41400045 | |
Internal Thread Cryogenic Vials | Corning | 430487 | |
Kimtech Science Kimwipes | Kimberly-Clark Professional | 34120 | |
Luer Stubs (Blunt needle), 22 G x 0.5 inches | Instech Laboratories, Inc. | LS22 | |
Medium 199, Earle's Salts (10x) | ThermoFisher Scientific | 21180021 | |
Megafuge 8 Small Benchtop Centrifuge | ThermoFisher Scientific | 75007210 | |
Metal Coupler (blunt) | Instech Laboratories, Inc. | SC 20/15 | |
Mr. Frosty Freezing Container | ThermoFisher Scientific | 5100-0036 | |
Nikon Eclipse Ti-S Microscope | Nikon Instruments | https://www.thelabworldgroup.com/product/nikon-eclipse-ti-fluorescent-microscope/ | Original model discontinued |
Nunc Non-treated Flasks, T-25 | ThermoFisher Scientific | 169900 | |
Nunc Non-treated Flasks, T-75 | ThermoFisher Scientific | 156800 | |
Pipette, 10 mL, Graduated, 1/10 mL, Sterile | Greiner Bio-One | 607180 | |
Silicon tubing, C-flex tubing, (ID: 0.020", OD: 0.083") | Cole-Parmer | 06422-00 | |
Single edge razor blade (sterile) | Bioseal | KI-205/50 | |
Sodium Bicarbonate | MilliporeSigma | S6297 | |
Sodium Hydroxide | MilliporeSigma | S8045 | |
Sterile Disposable Filter Units with PES Membranes | ThermoFisher Scientific | 567-0020 | |
Tissue Culture Treated Dishes, 150 mm x 20 mm Vented | Genesee Scientific | 25-203 | |
Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red | ThermoFisher Scientific | 25300054 | |
Type I collagen, rat tail | Corning | 354236 | |
Type IV Collagen, Mouse | Corning | 354233 |
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